211service.com
Kvantu robeža
1981. gada maijā konferencē, ko rīkoja MIT Datorzinātņu laboratorija, Ričards Feinmens ‘39 aprakstīja teorētisku ierīci, ko viņš nosauca par kvantu datoru, kas veiktu aprēķinus, izmantojot vielas dīvaino uzvedību ļoti mazos mērogos. Teorētiskie fiziķi izmantoja šo ideju, parādot, ka kvantu datori principā var darīt visu, ko var parastie datori, un apgalvojot, ka tie varētu paveikt dažas lietas daudz, daudz ātrāk. Tomēr vairāk nekā desmit gadus kvantu aprēķināšana visiem entuziastiem, izņemot dažus entuziastus, bija tikai tukšas spekulācijas priekšmets.
No kreisās: profesori Pīters Šors, Skots Āronsons un Edvards Fari
Tas iespaidīgi mainījās 1994. gadā, kad Pīters Šors, PhD '85, tagad MIT lietišķās matemātikas profesors, aprakstīja kvantu algoritmu skaitļa galveno faktoru atrašanai. Kvantu dators, kurā darbojas Šora algoritms, spētu veikt faktoringa uzdevumus, kurus mūsdienu datori nevarētu pabeigt Visuma dzīves laikā. Tā kā lielu skaitļu faktoringa grūtības ir viss, kas garantē modernāko kriptogrāfijas sistēmu drošību, pārējai pasaulei — un jo īpaši tādām organizācijām kā Nacionālās drošības aģentūra — tas bija jāņem vērā. Šors parādīja, ka, ja jūs varētu izveidot kvantu datorus, tad būtu cilvēki, kas vēlētos tos iegādāties, saka Sets Loids, mašīnbūves profesors, kurš pēta kvantu skaitļošanu. Šora algoritms veidoja slepkavas lietotni, kas visus ieinteresēja.
Lai gan pilnībā funkcionējoši, vispārējas nozīmes kvantu datori, iespējams, ir gadu desmitiem attālumā, Šora algoritms kvantu aprēķinus pārvērta par daudzveidīgu pētniecības jomu. Mūsdienās Loids saka, ka pētnieku skaits visā pasaulē, kas strādā pie kvantu skaitļošanas, iespējams, ir aptuveni 5000. Es domāju, ka, ja mēs iegūsim vēl 300 biedrus Amerikas Fizikas biedrībā, mēs būsim Amerikas Fizikas biedrības nodaļa, viņš saka. Un visos aspektos, sākot ar jaunu algoritmu atklāšanu un beidzot ar jaunu datoru veidu izsapņošanu, MIT pētnieki ir iesaistīti cīņā.
Kvantu iespēja
Kvantu aprēķini sakņojas kvantu fizikas centrālajā noslēpumā: sīkās matērijas daļiņas vienlaikus var apdzīvot vairākus, šķietami, savstarpēji izslēdzošus stāvokļus. Izšaujiet vienu fotonu — gaismas daļiņu — pie barjeras ar diviem spraugām, un tas uzreiz izies cauri abām spraugām. Elektroniem ir īpašība, ko sauc par griešanos, ko var uzskatīt par griešanos pulksteņrādītāja virzienā vai pretēji pulksteņrādītāja virzienam, taču viens elektrons var vienlaikus griezties pulksteņrādītāja virzienā un pretēji pulksteņrādītāja virzienam. Šo spēju vienlaikus atrasties vairāk nekā vienā stāvoklī, ko fiziķi sauc par superpozīciju, ir, kā savulaik izteicās Feinmens, neiespējami, absolūti neiespējami izskaidrot nekādā klasiskā veidā. Lai padarītu lietas vēl dīvainākas, ja jums ir kvantu daļiņa, kas vienlaikus atrodas vairākos stāvokļos, un jūs tai veicat kādu mērījumu, tā uzreiz nokļūst tikai vienā no šiem stāvokļiem. Un kurš no tiem tiek pieņemts, ir pilnīgi nejaušs. (Tas ir cita slavenā fizikas citāta pamatā — Einšteina uzstājība pret kvantu fizikas diktātu, ka Dievs nespēlē kauliņus ar Visumu.)
Datorzinātnē informācijas pamatvienība ir bits, kam var būt viena no divām vērtībām, kuras parasti izsaka kā 0 un viens . Kvantu skaitļošanas pionieri saprata, ka, tā kā kvantu daļiņa var būt divos stāvokļos vienlaikus, tā var attēlot 0 un viens tajā pašā laikā. Divi kvantu biti jeb kubiti varētu attēlot četras vērtības, trīs no tām astoņas, četras no tām 16 un tā tālāk. Viens aprēķins, kas ietver N kubiti būtu kā darīt 2 N aprēķinus uzreiz.
Tomēr pieņemsim, ka jums ir astoņi kubiti, kas atspoguļo 256 vienlaicīgu aprēķinu rezultātus. Ja veicat mērījumu kubitiem, superpozīcija sabrūk: katrs kubits nekavējoties pieņem vērtību vai nu 0 vai viens . Jums atliek tikai viena no 256 sākotnējām iespējām, un tā ir izvēlēta nejauši. Kā jūs garantējat, ka tas ir tas, ko vēlaties?
Pirmais kvantu algoritms
Uz šo jautājumu atbildēja Šors, kas joprojām ir galvenais rezultāts mūsu jomā, saka Edvards Fari, MIT Teorētiskās fizikas centra direktors, kurš arī pēta kvantu aprēķinus.
Ja superpozīcijas daļiņa nejauši iegūst vienu stāvokli, tas notiek saskaņā ar noteiktām varbūtībām: laika gaitā daļiņas dažos stāvokļos iekļūs biežāk nekā citos. Šīs varbūtības var attēlot kā līkni, kas izskatās pēc viļņa virsotnes. Izrādās, ka tā pati matemātika, kas apraksta viļņu fiziku, apraksta arī kvantu varbūtību fiziku.
Kad viļņi saduras, tie traucē viens otram vai nu konstruktīvi, vai destruktīvi. Ja krustojas divi cekuli, rezultāts ir lielāks; ja cekuls krustojas ar sile, tie atceļ viens otru. Šors atrada ģeniālu veidu, kā attēlot faktoringa problēmu ar varbūtības viļņiem, lai pareizās atbildes pastiprinātu viena otru, bet nepareizās būtībā pazustu. Rezultāts joprojām ir varbūtības vilnis, bet, kad superpozīcija sabrūk, iespēja saņemt pareizo atbildi ir ļoti liela.
Šors sāka strādāt pie algoritma 1993. gadā, kad viņš atradās AT&T Bell Labs pētniecības centrā, pēc tam, kad bija dzirdējis Kalifornijas Universitātes Bērklijas profesora Umeša Vazirani ‘81 runu par kvantu skaitļošanu. Viņš, protams, nestrādā pie tā pilnas slodzes. Patiesībā es nevienam neteicu, ka strādāju pie tā, līdz es to izdomāju.
Patiesībā pirmais kvantu algoritms, par kuru Šors ikvienam pastāstīja 1994. gada aprīlī, bija logaritmu aprēķināšanai — problēmai, kas ir cieši saistīta ar faktorizēšanu. Viņš saka, ka otrdien Bell Labs runāju par algoritmu. Tajā sestdienā es biju mājās ar spēcīgu saaukstēšanos, un Umešs Vazirani man piezvanīja no Kalifornijas, ļoti sajūsmināts un teica: 'Es dzirdēju, ka jūs zināt, kā faktorēt ar kvantu datoru.' Patiesībā viņš to darīja: četros starplaikos. dienās, viņš bija pielāgojis savu algoritmu tieši šai problēmai. The Ekonomists intervēja mani neilgi pēc tam, saka Šors. Drīz es saņēmu daudz e-pasta ziņojumu par algoritmu, un es joprojām nebiju uzrakstījis darbu. Kad viņš maija sākumā teica savu pirmo publisko runu par to Kornelā, viņš smejoties saka, ka kāds no NSA pēc tam ar mani par to runāja.
MRI tehnoloģijas izmantošana
Kad Sets Loids ieradās MIT 1994. gadā, es biju uzrakstījis daudz rakstu par kvantu skaitļošanu, viņš saka. Es un, iespējams, vēl pieci vai seši cilvēki pie tā strādājām pirms 1994. gada. Loidam paziņojumam par Šora algoritmu bija ļoti konkrēta ietekme: tas ievērojami atviegloja pilnvaru iegūšanu.
Viens no dokumentiem, ko Loids bija publicējis Zinātne 1993. gadā ierosināja pirmo iespējamo kvantu datora dizainu. Viņš saka, ka jūs to varētu uzskatīt par kausu, kas ir pilns ar molekulām. Katrā molekulā kubitus attēloja dažāda veida atomi, un visas kausā esošās molekulas vienlaikus veiktu vienu un to pašu aprēķinu.
Atsevišķos pētījumos viesprofesors Deivids Korijs un Mediju laboratorijas fizikas un mediju grupas vadītājs Nīls Geršenfelds parādīja, ka Loida dizainu var realizēt, izmantojot kodolmagnētisko rezonansi (NMR), kas ir magnētiskās rezonanses attēlveidošanas pamatā. Spēcīgs magnēts izlīdzinātu molekulas veidojošo atomu spinus. Pēc tam dažādas radioviļņu frekvences varētu novietot dažus atomus superpozīcijā un apgriezt citus. Elektroni ar noteiktiem spiniem attēlotu datus, un spini superpozīcijā attēlotu ar šiem datiem veikto vairāku darbību rezultātus.
1998. gadā Geršenfelds sadarbojās ar Isaac Chuang '90, '91, SM '91, pēc tam IBM Almaden pētniecības centrā Sanhosē, Kalifornijā, un Marku Kubinecu no UC Berkeley, lai izveidotu pirmo skaitļošanas sistēmu, kas izmantoja KMR kvantu izpildei. algoritms. Tam bija divi kubiti.
2000. gadā Čuangs atgriezās MIT, kur tagad ir fizikas un elektrotehnikas un datorzinātņu profesors. Nākamajā gadā viņš un IBM kolēģi izveidoja septiņu kubitu NMR datoru, kas pirmo reizi veiksmīgi izpildīja Šora algoritmu. Tas noteica, ka galvenie faktori 15, ļoti iespējams, ir trīs un pieci.
Viena no KMR kvantu skaitļošanas problēmām ir tāda, ka, tā kā kubitus attēlo dažādi atomi vienā molekulā, sarežģītākiem aprēķiniem ir nepieciešamas sarežģītākas molekulas. Bet jo lielāka ir molekula, jo spēcīgāks ir tās elektromagnētiskais lauks, un jo grūtāk ir atšķirt viena atoma radīto elektromagnētisko signālu. Daži pētnieki pēta sīkus sensorus, kas var nolasīt magnētiskos signālus no atsevišķām molekulām. Taču Čuans, cita starpā, ir pievērsies kvantu datoriem, kas izmanto elektromagnētiskajos laukos iesprostotos jonus kā kubitus, ko 1995. gadā ierosināja Austrijas Insbrukas universitātes pētnieki.
Jonu lamatas kvantu skaitļošanā izmanto rotējošus magnētiskos laukus, lai izolētu atsevišķas molekulas, un lāzera gaismu, nevis radio impulsus, lai mainītu molekulu kvantu stāvokļus. Lai gan tas sniedz pētniekiem precīzāku kontroli pār kubitiem nekā esošās KMR metodes, tas arī prasa to. Elektroni, kas riņķo ap kodolu, var būt dažādos enerģijas stāvokļos. Pievienojiet elektronam pietiekami daudz enerģijas, un tas parādīsies nākamajā enerģijas līmenī; ja tas zaudē tikai nedaudz enerģijas, tas nokritīs atpakaļ. Jonu slazdu kvantu skaitļošanai ir nepieciešams uzturēt elektronus dažādos, precīzi noteiktos enerģijas stāvokļos. Tas ir tik sarežģīti, ka daži pētnieki sāka apsvērt, vai varētu būt kvantu dators, kas vienkārši palika viszemākajā enerģijas stāvoklī.
Adiabātiska pieeja
2000. gadā MIT fiziķi Edvards Fari un Džefrijs Goldstouns, matemātikas nodaļas vadītājs Maikls Sipsers un Sems Gūtmans no ziemeļaustrumiem, 73. g., 77. doktora grāds, ierosināja jauna veida kvantu datoru, ko sauc par adiabātisko kvantu datoru, kas vienmēr ir ar viszemāko enerģiju. Valsts. (Objekti mēdz meklēt zemākos enerģijas stāvokļus, kādus tie var atrast, tāpēc zemas enerģijas stāvokļi mēdz būt stabilāki nekā augsti.) Rakstā nav norādīts, kā tiks realizēti kubiti. Bet tā pamatā bija atziņa, ka skaitļošanas problēmu risinājumus var attēlot kā fiziskās sistēmas zemākās enerģijas stāvokļus.
Piemēram, diviem magnētiem ir tendence saskaņot ziemeļpolu pret dienvidu polu, jo tas aizņem mazāk enerģijas nekā ziemeļpolu piespiešana kopā. Tāpēc magnētu ķekars, kas patvaļīgi novietoti uz tāfeles, sāks apgriezties, lai pēc iespējas vairāk no tiem būtu novietoti ziemeļu-dienvidu virzienā. Teorētiski, ja jūs novietojat magnētus pareizajā shēmā un iestatāt to sākotnējo orientāciju tikai pareizajā veidā, jūs varētu iekodēt skaitļošanas problēmu. Kad magnēti pagriezās, lai atrastu zemākās enerģijas orientāciju, tie tuvojas problēmas risinājumam. Adiabātiskā kvantu skaitļošana ir līdzīga, taču tā varētu vienlaikus izpētīt daudzus iespējamos risinājumus, jo tajā tiktu izmantoti kubiti, nevis magnēti.
Izmantojot adiabātisko kvantu skaitļošanu, kvantu mehāniskā fiziskā sistēma tiktu iestatīta tās zemākās enerģijas stāvoklī, ko sauc par pamata stāvokli. Sākotnēji sistēma iekodētu daudz vienkāršāku problēmu, nekā tā ir paredzēta. Bet laika gaitā daži sistēmas vadības parametri, piemēram, tās elektromagnētiskā lauka stiprums, pakāpeniski tiktu mainīti, līdz sistēma beidzot kodētu sarežģītāko problēmu. Ja izmaiņas notiktu pietiekami lēni, sistēma paliktu sākotnējā stāvoklī, tāpēc tā galu galā atspoguļotu problēmas risinājumu.
Daži cilvēki domā, ka, ja jums būtu kvantu dators, kuram bija jāpaliek sākotnējā stāvoklī, teiksim, padarot to ļoti aukstu, tas varētu padarīt sistēmu nedaudz mazāk pakļautu kļūdām, saka Farhi. Jo, ja jums vienmēr ir auksts un vienmēr atrodaties pamata stāvoklī, tā, iespējams, ir vieglāka vieta nekā satrauktā stāvoklī, kas jums rūpīgi jākontrolē.
Adiabātiskās pieejas problēma ir tāda, ka sistēmai ir jāmainās lēnām, lai tā nepārietu uz augstākas enerģijas stāvokli, un neviens nezina, cik lēns ir pietiekami lēns. Ja tas ir bezgalīgi lēns, mēs zinām, ka tas darbosies, saka Farhi. Bet, ja sistēma ir jāmaina pārāk lēni, tā nesniegs nekādas priekšrocības salīdzinājumā ar parastajiem datoriem.
Farhi turpina pētīt jautājumu par to, cik ātri var mainīties adiabātiskā kvantu skaitļošanas sistēma, gan izmantojot salīdzinoši vienkāršu sistēmu datormodelēšanu, gan matemātisko analīzi. Tikmēr 2002. gadā Loids un Bils Kaminski, viņa grupas maģistrants, ierosināja veidu, kā realizēt adiabātisku kvantu datoru, izmantojot supravadošās elektriskās ķēdes, kurās strāvas plūsma var būt superpozīcijā: faktiski strāva plūst pulksteņrādītāja virzienā un pretēji pulksteņrādītāja virzienam. vienreiz. Strāvas plūsmas virziens atspoguļo kubitu vērtību, un sistēmas kopējā enerģija ir atkarīga no strāvas plūsmas virziena blakus ķēdēs. Kad tiek pielietots magnētiskais lauks, strāvas nonāk superpozīcijā. Izmērot, sistēma pēc tam ieslēdzas zemākajā enerģijas stāvoklī, atklājot atbildi. Divus gadus vēlāk Loids; Vims van Dams, Farhi grupas postdoc; un četri citi pētnieki no četrām dažādām universitātēm pierādīja, ka adiabātiskais kvantu dators principā var veikt jebkādus aprēķinus, ko varētu veikt parasts kvantu dators.
2007. gadā uzņēmums Bērnabijā, Britu Kolumbijā, demonstrēja 16 kubitu adiabātisku kvantu datoru, kurā tika izmantotas supravadošās shēmas. 2008. gada beigās uzņēmums D-Wave paziņoja, ka tas ir sasniedzis kubitu skaitu līdz 128. Daudzi eksperti ir bijuši skeptiski, taču Daba Šī gada sākumā publicētajā rakstā D-Wave pētnieki pierādīja, ka viņu astoņu kubitu šūnai ir kvantu efekti. Uzņēmums ir piesaistījis vairāk nekā 65 miljonus ASV dolāru finansējumu, un maijā tas pārdeva savu pirmo komerciālo ierīci - 128 kubitu D-Wave One uzņēmumam Lockheed Martin.
Pārspējot superdatorus
Daļa problēmu ar demonstrācijām, piemēram, D-Wave, vai pat ar KMR kvantu datoriem, piemēram, Chuang's, ir tā, ka kvantu shēmas ir pārāk vienkāršas, lai veiktu aprēķinus, ko parastie datori nevar veikt. Skots Āronsons, datorzinātņu asociētais profesors, kurš 30 gadu vecumā ir jaunākais no MIT augsta līmeņa kvantu skaitļošanas pētniekiem, mēģina risināt šo problēmu, kā viņš pats saka, tiekoties ar eksperimentālistiem pusceļā.
2011. gadā Āronsons un viņa absolvents Aleksandrs Arhipovs ierosināja eksperimentu, kas, ja tas izdotos, veiktu aprēķinu, ko nespētu veikt pat jaudīgākie mūsdienu superdatori. Viņš uzskata, ka eksperimentālajam iestatījumam vajadzētu būt daudz vienkāršāk uzbūvējamam nekā pilna mēroga kvantu datoram.
Eksperimentā tiktu izmantota virkne staru sadalītāju, ierīces, ko izmanto optiskajos tīklos, lai sadalītu lāzera starus divās daļās. 1987. gadā Ročesteras universitātes fiziķi atklāja, ka tad, ja divi fotoni nonāktu pie staru sadalītāja tieši tajā pašā laikā, kvantu mehāniskā mijiedarbība liktu abiem virzīties pa labi vai pa kreisi. Viņi nekad neizietu no staru sadalītāja dažādos virzienos, kā to paredz varbūtību likums.
Āronsons un Arhipovs ierosina virzīt ierobežotu fotonu skaitu — teiksim, 20 — caur staru sadalītāju sēriju gaismas detektoru komplektam — piemēram, apmēram 400. Aprēķinot frekvenci, ar kādu dažāds fotonu skaits nonāktu pie dažādiem detektoriem, iespējams, nav iespējams. visu pasaules datoru skaitļošanas jauda. Taču Āronsons un Arhipovs pierādīja, ka arī statistiski ticamu rezultātu aprēķināšana pat pāris desmitiem eksperimenta reižu. Tomēr šī ir problēma, kuru atrisinātu pāris desmiti veiksmīgu eksperimentu.
Kad viņi pirmo reizi aprakstīja savu eksperimentu, Terijs Rūdolfs, Londonas Imperiālās koledžas Kvantu optikas un lāzerzinātņu grupas progresīvs pētnieks, teica, ka tam ir potenciāls aizvest mūs tālāk par to, ko es vēlētos saukt par 'kvantu singularitāti', kur mēs to darām. pirmā lieta, ko mēs nevaram izdarīt ar klasisko datoru.
Eksperimentālie fiziķi vairākās universitātēs ir pieņēmuši Āronsona un Arhipova izaicinājumu un ir pārliecināti, ka salīdzinoši īsā laikā viņi veiks eksperimentu ar varbūt četriem fotoniem. Versija ar 20 fotoniem prasīs ilgāku laiku, un pilnībā funkcionējošam kvantu datoram var būt nepieciešams ilgāks laiks. Bet, kad šis dators beidzot tiks uzbūvēts un tā izgudrošanas vēsture tiks uzrakstīta, sākotnējās nodaļas būs piepildītas ar MIT profesoru vārdiem.